JP2010246230A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生エネルギが大きく変動しても蓄電池およびコンプレッサへの回生エネルギの分配を適切に行うようにできる車両用電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発電機１１と接続した蓄電池１２と、蓄電池１２と発電機１１との間に設けた双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータ１８と、発電機１１と接続した電動コンプレッサ１６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の起動、停止、電圧変換の方向の少なくとも１つを制御する制御装置１９とを備え、制御装置１９は蓄電池１２の電圧および発電機１１の発電量に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを蓄電池に充電して利用する車両用電源装置に関するものである。

従来の車両用電源装置としては、発電機にコンプレッサおよびＤＣ／ＤＣコンバータを介して蓄電池が電気的に接続されるものがある。車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギは、ＤＣ／ＤＣコンバータを経由して蓄電池に充電される。ＤＣ／ＤＣコンバータの充放電電流は電池容量に基づいて制御される。

回生エネルギは減速時に発生するため、発電量が安定せず大きく変動する。従来の車両用電源装置は、電池容量に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータを制御しており、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御に回生エネルギ量を加味していなかった。このため、回生エネルギが変動した際、蓄電池およびコンプレッサへの回生エネルギの分配を適切に行うことができなかった。

なお、先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開平１１−００４５０６号公報

従来の車両用電源装置は、電池容量に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータを制御しており、回生エネルギ量を加味していなかったため、例えば、回生エネルギが急減するとコンプレッサへの電気エネルギの供給が不足するなどの問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたものであり、回生エネルギが大きく変動しても蓄電池およびコンプレッサへの回生エネルギの分配を適切に行うようにできる車両用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動、停止、電圧変換の方向の少なくとも１つを制御する制御装置を備え、制御装置は蓄電池の電圧および発電機の発電量に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するものである。

本発明は、蓄電池の電圧だけでなく、発電機の発電量に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータの起動、停止、電圧変換の方向を制御するため、回生エネルギが大きく変動しても蓄電池およびコンプレッサへの回生エネルギの分配を適切に行うことができる。

本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図 同動作を説明する図

以下、本発明の一実施の形態における車両用電源装置について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図である。

図１に示すように、車両用電源装置１は、エンジン等で駆動されて車両が減速する際の運動エネルギを電気エネルギ（回生エネルギ）に変換する発電機１１と、発電機１１により発電された回生エネルギを蓄電する蓄電池１２とを備える。蓄電池１２には、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、または高容量のキャパシタを用いることができる。

発電機１１と、蓄電池１２とは、コンバータ１３および電力分配器１４を介して電気的に接続される。コンバータ１３は、発電機１１により発電された交流の電気エネルギを直流の電気エネルギに変換する。

また、発電機１１は、電力分配器１４を介したインバータ１５を経由して電動コンプレッサ１６と電気的に接続される。インバータ１５は蓄電池１２の電気エネルギを交流に変換して電動コンプレッサ１６へ供給する。電動コンプレッサ１６は車両のエアコンシステム１７に接続される。

電力分配器１４はコンバータ１３が出力する電気エネルギを、蓄電池１２とインバータ１５とに分配するものである。電力分配器１４は、少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ１８で構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は双方向に電圧変換が可能であり、インバータ１５から出力された電気エネルギを変圧して蓄電池１２へ出力し、もしくは、蓄電池１２に蓄積された電気エネルギを変圧してインバータ１５へ出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の起動、停止、または、電圧変換の方向は、制御装置１９により制御される。

また、上述した蓄電池１２の出力端に電圧検出センサ２０を設ける。電圧検出センサ２０は接続した電源の出力電圧を検出して電圧値信号を制御装置１９へ通知する。

また、オーディオ機器などの車載機器２２へ電気エネルギを供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ２１がＤＣ／ＤＣコンバータ１８に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、補機用蓄電池２３に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８から出力された電気エネルギを変圧して補機用蓄電池２３および車載機器２２へ出力する。

また、制御装置１９は、コンバータ１３が出力する回生エネルギ量および電圧検出センサ２０が出力する蓄電池１２の出力電圧に基づいて、発電機１１、コンバータ１３、インバータ１５、電動コンプレッサ１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、およびＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御するものである。

以上のように構成された車両用電源装置１について、以下にその動作を説明する。まず、回生エネルギの回収を行っている場合の動作について説明する。

発電機１１により発電された回生エネルギは、大きな電力を消費する機器に対して優先的に給電される。例えば、エアコン用の電動コンプレッサ１６は、その電力容量が３〜６ｋＷ程度であり、車両に搭載される機器としては大きな電力負荷の１つである。

電動コンプレッサ１６は車両の挙動に関わらず駆動されるもので、回生エネルギを電動コンプレッサ１６に優先的に供給することで、一度蓄電池１２へ充電してから放電する場
合のロス、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１８の電力変換によるロスを最小化することができる。

電動コンプレッサ１６以外の車両搭載機器２２で消費される電力を賄うため、発電電力の余剰分は蓄電池１２に蓄えられる。充電は電動コンプレッサ１６で消費される電力の余剰分によって行われるため、システム全体を賄う電力を供給するためには、発電機の発電容量が１０ｋＷ以上であることが望ましい。

蓄電池１２への充電は制御装置１９により制御されたＤＣ／ＤＣコンバータ１８により行われる。電動コンプレッサ１６で消費される発電電力の余剰分が充電電力として蓄電池１２に蓄電される。回生エネルギは短時間に発生する事が特徴であるため、蓄電池１２は短時間で多くのエネルギを蓄える蓄電能力が求められる。

このため、蓄電池１２としては、例えば、ニッケル系電池、またはリチウム系電池が適している。例えば、ニッケル系電池であれば１〜５Ｃ（Ｃは定格蓄電容量を１時間で消費する電力量）、リチウム系電池であれば１〜１０Ｃ程度の急速充電が可能である。

こうした蓄電池１２に対して短時間でより多くのエネルギを充電する方法としては、定電流による充電方式が知られており、短時間に発生する回生エネルギの充電方式として適している。ただし、本方式のみの適用では過充電の恐れがあるため、充電状態を管理しながら実施する。一般に蓄電容量の８０％程度までを定電流モードで充電し、それ以降を定電圧モードで充電すれば、過充電の恐れはなく、蓄電池の劣化を抑制させる効果が期待できる。こういった充電制御の切り替えは制御装置１９が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御することにより行われる。

次に、回生エネルギの回収を行っていない場合の動作について説明する。

回生エネルギが発生していないときに電動コンプレッサ１６が動作する場合、制御装置１９は、蓄電池１２に蓄積された電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ１８が電圧変換してインバータ１５へ供給するように制御する。

電動コンプレッサ１６は、従来のようにエンジンの動力にてコンプレッサを駆動していた場合に比べて、コンプレッサ駆動負荷が少なくできると共にコンプレッサの稼動速度（回転）や出力バルブを適切に制御することで吐出冷媒量を抑制し、消費電力を抑制することができる。このため、エンジン出力を効率よく利用でき燃費を向上させることができる。

なお、蓄電池１２の電気エネルギの蓄積が不足した場合、エンジンの動力が間接的または直接的に発電機１１に伝達され、その発電電力が電動コンプレッサ１６に供給される。

エンジンにより直接駆動されるコンプレッサの効率と、電気駆動されるコンプレッサの効率とを比較すると、ベルト駆動による効率が９５％程度、電気駆動では発電から電気駆動までの効率が７０％程度であり、動力伝達の点では後者の方が効率は低い。しかし、電動コンプレッサはエンジン回転の影響を受けないことで作動制御がしやすい。また、必要な動力のみをエアコンに供給できるため、エアコン稼動サイクル全体としての総合効率は、電動コンプレッサによるシステムの方が高くなる。

制御装置１９は、車両の走行に関する制御（エンジン、トランスミッション、ブレーキ、トルク配分など）を行うと共に蓄電池１２の電圧、車室内温度や湿度などの検出機能、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の変換電力量の監視、インバータ１５や電動コンプレッサ１６
などを制御するものである。

発電機１１が十分な発電量を発生している場合、インバータ１５はコンバータ１３で交流から直流変換された回生エネルギの供給を受けて電動コンプレッサ１６へ電気エネルギの供給を行っている。

このように、発電機１１の回生エネルギが十分な場合、電動コンプレッサ１６へ、蓄電池１２およびＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介さず直接供給されるため、充放電による熱損失などのロスを回避した効率の良い電力供給が可能となる。

一方、回生エネルギが十分でないときは、蓄電池１２に蓄電された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介してインバータ１５に電気エネルギが供給されて電動コンプレッサ１６が動作する。

制御装置１９は、回生エネルギをコンバータ１３の発電変換量をとして検出し、この電力値と電動コンプレッサ１６で必要な電力量とを比較する。その結果、回生エネルギが電動コンプレッサ１６で必要な電力量を上回り余剰電力がある場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御して蓄電池１２へ充電を行う。

車両が減速する場合、車輪やエンジンなどの運動エネルギを利用して発電機１１により電力に変換される。変換された電力はコンバータ１３により直流変換されＤＣ／ＤＣコンバータ１８により、適正電圧あるいは電流に制御され蓄電池１２に充電される。

このとき制御装置１９は、蓄電池１２の充電状態を電圧検出センサ２０または図示しない電流計などにより監視して、この充電状態に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御する。例えば、満充電となったことを検出した場合はＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御して蓄電池１２への充電を停止して蓄電池１２を過充電から保護する。

また、充電状態に応じて充電モードを切り替える事もできる。充電モードとしては、例えば、定電流モードおよび定電圧モードがある。制御装置１９は、充電状態が予め設定された状態（例えば満充電に対して８０％となった状態）と比較して充電量が低い場合は充電モードを定電流モードに、高い場合は定電圧モードに切り替えるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御する。これと同時に制御装置１９は目標電流値、または電圧値の設定を行う。

これらの充電モードの変更や充電動作を停止させた結果、充電にかかる電力量は変動する。これらの変動は発電機１１の出力電圧の変化として現れる。

制御装置１９は、消費電力が大きい機器（蓄電池の充電、電動コンプレッサ、その他）の電力変動に応じて回生エネルギ量の制御を行う。この制御は、コンバータ１３に対して出力電流を抑制することで行われる。または、回生ブレーキ以外の制動手段に対して、より強い制動制御を行う（具体的には、ドラムブレーキやディスクブレーキなどにより機械的制動機の制動力を上昇させる）ことも可能である、この場合、発電機１１からの発電量が下がるため、発電機１１への負荷が抑制できるといった効果がある。

上述のごとく、発電機１１によって発電された回生エネルギは、電動コンプレッサ１６や消費電力または負荷率が大きいデバイスへの供給を優先して実施されることが本実施の形態の特徴である。

回生エネルギ量が十分大きいとき蓄電池１２の充電状態は満充電の状態になる。制御装
置１９は、蓄電池１２の満充電を検知して充電を停止すると共に、必要であればＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御して車載機器２２などへ電力供給を行う。

本実施の形態では、発電機１１で発電された電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１８で一度変換して蓄電池１２に蓄電している。これにより、蓄電池１２の電圧が高くなるにつれて、回生エネルギを蓄電するための電流量が少なくて済むため蓄電池１２の性能劣化を抑制することが出来る。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８に流れる電流も小さくなるため、相対的に抵抗損失が低減され物性的な飽和特性の影響を受けず、全体としての損失が低減され、電力利用効率を上昇させることができる。

以上のように、本実施の形態では電圧変換によるロスを抑制し、電流量を抑えた最適な充電を行える。これにより蓄電池１２への負担を軽減させた充電を可能とすることができるため蓄電池１２の寿命を延ばすことができる。また、制御装置１９が蓄電池１２の充電状態の監視を行うことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を適切に制御しているため、蓄電池１２を過充電または過放電から保護することができる。

本実施の形態では、発電機１１により発電された回生エネルギと、蓄電池１２の充電状態に応じて以下５つの動作モードに分類できる。

（動作モード１）発電機１１からの回生エネルギが十分あり、かつ、蓄電池１２の充電状態が満充電でない状態（充電制御）。

（動作モード２）発電機１１からの回生エネルギが十分あり、かつ、蓄電池１２が満充電状態（充放電しない）。

（動作モード３）発電機１１からの回生エネルギが十分でなく、かつ、蓄電池１２の充電容量が十分ある状態（放電制御）。

（動作モード４）発電機１１からの回生エネルギが十分でなく、かつ、蓄電池１２の充電容量が十分でなく、かつ、発電機からの給電は不要な状態（充放電しない）。

（動作モード５）発電機１１からの電力が十分でなく、かつ、蓄電池１２の充電容量が十分でなく、かつ、発電機からの給電が必要な状態（エンジン動力と発電機を接続する）。

この動作モード５は、補機用蓄電池２３の充電容量が十分でなくなったとき、または、蓄電池１２の充電容量が十分でないときに電動コンプレッサ１６を稼働するモードである。このとき、エンジンを動力源として発電機１１が発電を行い必要な車載機器２２へ給電する。

以上のように制御することで、充電と放電とを分離することが可能となる。すなわち、発電機１１により充電が開始された後（動作モード１）、徐々に車両の制動力が弱まり発電機１１からの発電量が低下すると動作モード３〜５のいずれかに移行する。大半の場合、発電機１１からの発電量が低下したとしても、この発電量で電動コンプレッサ１６を駆動することが可能であり、この期間は蓄電池１２の放電、または、蓄電池１２への充電をしない期間が生じる事となり、電池劣化の要因となる充電と放電を頻繁に繰り返すことを防止できる。このため、充電電流を抑える場合と同様に蓄電池１２の劣化を軽減でき、蓄電池１２を長寿命化できる。

以上の各動作モードについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図２は本発明の一
実施の形態における車両用電源装置１の要部である回生エネルギが発生している際の制御装置１９の動作を説明する図である。

まず、Ｓ２０において制御装置１９は、車両の減速操作情報を検出する。制御装置１９は、減速操作情報として、例えば、車両制御ＬＡＮ２４からブレーキ情報、車速情報などを受信する。制御装置１９は、これらのブレーキ情報などを基に発電機１１からの回生エネルギの最大発電量を算出する。この回生エネルギの最大発電量は、その後の状態変化の予測に用いる事ができる。

また、制御装置１９は、回生エネルギの最大発電量に基づいて蓄電池１２および電動コンプレッサ１６への供給電力の振り分け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８の制御を適切に行うことができる。

次に、制御装置１９は、回生エネルギの発電量をコンバータ１３から受信する（Ｓ２１）。

制御装置１９は、検出した回生エネルギが電動コンプレッサ１６の消費電力量を上回り十分充電可能な電力を発生しているか否かを判定する。回生エネルギが十分に発生している場合（Ｓ２１でＹＥＳ）、制御装置１９は、電動コンプレッサ１６への電力供給を他の車載機器２２などより優先して行う（Ｓ２２）。

なお、電動コンプレッサ１６への供給が不要（エアコン未稼働またはエアコン稼動モードによる一時停止時など）の場合は電動コンプレッサ１６への電力供給は行われない。また、Ｓ２２での電力供給で消費した電力の余剰電力をＳ２３にて判定し、余剰電力がない場合は充電フローを終了する。

以下、Ｓ２４〜Ｓ２６（Ｓ２４：蓄電池１２の満充電の判定、Ｓ２５：蓄電池１２の充電状態の判定、Ｓ２６：発電機１１からの給電の要否判定）の各判定を上述した動作モード１〜５を用いて説明する。

Ｓ２７Ａは、すなわち、動作モード１であり、蓄電池１２への充電制御を開始するモードである。このとき、制御装置１９は、蓄電池１２の充電量を検知して適確な充電電流量となるようＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御して蓄電池１２の満充電の８０％までは定電流モードによる充電を継続する。

Ｓ２７Ｂは、すなわち、動作モード２であり、蓄電池１２の放電、または、蓄電池１２への充電を停止するモードである。このとき、制御装置１９は蓄電池１２の満充電を検知したため、蓄電池１２を過充電から保護するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を停止する。

Ｓ２７Ｃは、すなわち、動作モード３であり、蓄電池１２からの放電を開始するモードである。このとき、回生エネルギが生成されてなく、主要消費電力機器（電動コンプレッサ１６など）などへの電力を回生エネルギで賄えないため、制御装置１９は蓄電池１２の蓄電力を放電して必要な電力を賄うようにする。

Ｓ２７Ｄは、すなわち、動作モード４であり、蓄電池１２の充放電を停止するモードである。このとき、制御装置１９は主要消費電力機器の必要電力を検出して回生エネルギを必要としていないと判断しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を停止して充放電を禁止する。

Ｓ２７Ｅは、すなわち、動作モード５であり、エンジン出力を動力として発電機１１からの発電電力を給電するモードである。このとき、制御装置１９は、発電機１１からの発電量がなく蓄電池１２の充電量が十分でないが主要消費電力機器で電力供給を必要としていることを検知しているため、発電機１１とエンジン動力を接続することで発電機１１により発電をして必要電力の生成を行う。

Ｓ２７ＡからＳ２７Ｄを終了すると、制御装置１９は、車載機器２２などへの電力供給を行う（Ｓ２８）。

以上の制御により本実施の形態では、蓄電池１２を過充電や過放電から保護している。また、車両制御ＬＡＮ２４を通じて収集したブレーキ情報、車速情報などを利用することで、発電機１１から得られるべき最大発電量を算出することが可能となる。制御装置１９は、この最大発電量および消費電力量から発電機１１による制動力と、それ以外の制動力の配分を決定することができる。また、制御装置１９は、車両側に対して、必要発電量を含んだ情報を出力することもできる。

なお、本実施の形態では、主要消費電力機器として電動コンプレッサ１６を取り上げているが、これは一例であり、電動コンプレッサ１６に限らず車両に搭載される機器のうち、消費電力が大きい機器であってもよい。

以上のように本発明は、回生エネルギが大きく変動しても蓄電池およびコンプレッサへの回生エネルギを適切に分配でき、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを充電して利用する車両用電源装置等として有用である。

１ 車両用電源装置
１１ 発電機
１２ 蓄電池
１３ コンバータ
１４ 電力分配器
１５ インバータ
１６ 電動コンプレッサ
１７ エアコンシステム
１８ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ 制御装置
２０ 電圧検出センサ
２１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ 車載機器
２３ 補機用蓄電池

Claims (3)

1. 発電機と、
   この発電機と接続した蓄電池と、
   この蓄電池と前記発電機との間に設けた双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記発電機と接続した電動コンプレッサと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの起動、停止、電圧変換の方向の少なくとも１つを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は前記蓄電池の電圧および発電機の発電量に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記発電機は機器へ電力を供給するものであり、
   前記制御装置は機器への必要電力量を優先して電力供給し、かつ、余剰電力を蓄電池に充電するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記制御装置は前記蓄電池の電圧が所定の値となるまで定電流充電となるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。